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INGENIERIA

DE PROCESO

CAPITULO 4

La ingeniería de proceso trata del desarrollo, evaluación y diseño de procesos químicos. Quizá en ninguna otra fase de la ingeniería química puede el ingeniero aplicar de mejor manera los conocimien tos técnicos y habilidad adquiridos en su educación superior. Aun que muchas compañías de operación pueden subdividir la ingeniería

de proceso de departamentos de desarrollo, de análisis económico y de diseño, no es raro que un solo ingeniero de proceso origine un

nuevo proceso y lo continúe, a través de las etapas de diseño, hasta una planta completa. Indudablemente, muchQs ingenieros de proceso bastante experimentados, con base en sus conocimientos personales del proceso, son solicitados para dirigir como ingenieros de proyecto el diseño de una nueva planta. La discusión completa de la ingeniería de proceso y, en particu lar, del diseño de proceso requeriría un texto sumamente extenso. No obstante, ciertos breves comentarios, relativos a las diversas fa ses de la ingeniería de proceso, ayudarán a integrarla en el cuadro global del diseño de la planta.

INVESTIGACION BASICA DE INGENIERIA

En los laboratorios de universidades y de institutos de investiga ción patrocinados por particulares se realiza, en bastante escala, in vestigación básica en los campos de química y de ingeniería quí mica. Sin embargo, muchas de las industrias de proceso y varias firmas de diseño han encontrado necesario efectuar ciertos tipos de investigación básica. Es a este tipo industrial de investigación básica al que se refiere esta discusión. 62
Ingeniería de ProyectEl ingeniero químico también está ligado en su profesión a la investigación básica. Muchas compañías llevan a cabo, en forma continua, programas experimentales sobre operaciones unitarias, ci nética de reacciones y termodinámica. El propósito de dicha expe rimentación es alcanzar un mayor conocimiento de estas operaciones a modo de poder mejorar los procedimientos de diseño y de opera ción de la planta. La industria química no puede progresar sin un abastecimiento continuo de conocimientos básicos e información nuevos. La primera industria química norteamericana obtuvo bastantes conocimientos básicos de Europa, particularmente en el campo de la química pura. Sin embargo, las universidades, institutos de investigación y labora torios tndustriales de Norteamérica están proporcionando, en escala cada vez mayor, la investigación básica necesaria para el crecimien to de las industrias de proceso. El Congreso estableció la Fundación Nacional para la Ciencia (The National Science Foundation) para impulsar el desarrollo de las actividades de investigación básica en los Estados Unidos.

Un competente ingeniero

de proceso debe mantener un íntimo contacto con los avances de la investigación básica en su campo par ticular. Esto lo lleva a cabo mediante una revisión periódica de la literatura y una estrecha asociación con los progresos de trabajo en su propia organización.

Desarrollo del proceso

Los principios nuevos de diseño, las reacciones modernas y los nuevos compuestos sugieren, por lo general, aplicaciones de impor tancia industrial que ponen alerta a la gerencia técnica. Tales apli caciones pueden ser un nuevo proceso o la mejora de uno existente, requiriendo ambos el diseño y construcción de nuevos servicios y pudiendo implicar gastos de varios millones de dólares. Dado que una parte tan grande del diseño de ingeniería es de naturaleza em pírica, rara vez es posible saltar del vaso de precipitados a la planta terminada. Debe efectuarse una considerable cantidad de lo que po dría llamarse investigación de desarrollo aplicada. La información obtenida permite el diseño de equipo de proceso con un razonable grado de seguridad. El ingeniero de proceso que va a estar relacio nado con el diseño y quizá con la operación fundamental de un pro-

Ingeniería de Proceso

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ceso, llega a estar íntimamente asociado con el estudio en este pun to. Debe ser provisto con todos los datos e interpretaciones de datos obtenidos en el laboratorio. Su experiencia en diseño y operación de plantas hacen su consejo en extremo valioso para los grupos de desarrollo. El ingeniero de proceso puede estar seguro de tener todos los datos necesarios posibles para los cálculos de diseño sólo si se mantiene en estrecha relación con el departamento de desarrollo del proceso.

El desarrollo del proceso a

menudo comienza con un estudio en escala de laboratorio. Para obtener datos de naturaleza exploratoria se emplea equipo de vidrio o metálico en pequeña escala. Esta expe rimentación es valiosa porque con frecuencia constituye un proce dimiento no costoso de probar la factibilidad de un proceso y de en caminar apropiadamente los esfuerzos ulteriores de investigación.

El grado

actual de conocimientos de ingeniería química rara vez permite el diseño de una nueva planta a partir exclusivamente de datos en escala de laboratorio. Existen tantas incógnitas e intangi bles que han desafiado al análisis teórico, que es necesario evaluar de manera empírica estos factores en un equipo de mayor escala, el llamado equipo de planta piloto o de planta semiíndustrial. En la operación de planta piloto o de planta semiidu strial , se sigue un proceso lo más parecido posible al que se empleará en la planta comercial, de manera que los datos obtenidos puedan ser utilizados con confianza al pasar de la escala de planta piloto al tamaño co mercial. Las plantas piloto son costosas en su construcción y operación. No es poco común que una sola planta piloto cueste cerca de un millón de dólares. Por consiguiente, es imperativo que para reducir la cantidad de trabajo requerido de planta piloto y, de ser posible, eliminarlo por completo, se utilicen todos los conocimientos teóricos disponibles para el ingeniero químico. Por ejemplo, en sencillo equi po de laboratorio es posible obtener datos de velocidad de reacción para una reacción nueva. Empleando principios de cinética aplicada pueden, ent'Ünces, desarrollarse ecuaciones de velocidad que permí tüán el cálculo del tamaño del reactor para varias condiciones di ferentes de operación, lo cual facilita la selección del diseño más económico can la mínima cantidad de datos experimentales. En tal caso, todavía puede considerarse juicioso operar una planta piloto con el fin de obtener datos acerca de corrosión, información sobre transmisión de calor y características generales de la operación del proceso. El conocimiento que sobre cinética se adquiriera en la ope ración \ de laboratorio, contribuiría grandemente en el diseño de la planta piloto e indicaría de manera definitiva la cantidad mínima de datos requeridos. Esta forma de aplicación de los conocimientos teóricos ahorra mucho tiempo y dinero, y es muy superior al pro cedimiento completamente empírico de "ahora ensayemos esto".

64 Ingeniería de Proyecto }tara Plantas de Proceso

Aunque el método empírico de investigación ha tenido éxito en el desarrollo de las industrias de proceso, se debe realizar un continuo esfuerzo para (xmfirmar los principios teóricos de las diversas opera ciones unitarias, a modo de poder calcular más y más resultados, reduciendo así o eliminando completamente gran parte del trabajo de planta piloto o de planta semiindustrial actualmente requerido.

KV ALUACION DEL PROCESO

La evaluación de un proceso consiste del análisis tanto de la in geniería como de la economía del proceso y, en su sentido más am plio, es una operación continuada. Debe iniciarse, inclusive, antes de haber efectuado cualquier trabajo de laboratorio. Un cuidadoso análisis de costos en una etapa inicial, indicará si el proceso pro puesto es prometedor, y también puede sugerir la dirección de las experimentaciones.

La evaluación del proceso debe continuar a in

tervalos regulares, con objeto de cubrir de esta manera los datos nuevos y significativos que se vayan obteniendo. Esta continua reevaluación de los factores de ingeniería y eco. nómicos en el proceso propuesto, ayuda a la planeación global del trabajo en escalas de laboratorio y de planta piloto. A menudo eXis ten muchas maneras de efectuar una determinada operación uni taria, pero al considerar los aspect()s económicos estas posibilidades pueden ser restringidas a sólo unas cuantas. DybdaP ha presentad() la relación de la evaluación del proyecto con el trabajo experimental bien planeado, particularmente de la planeación que se hace entre el trabajo de laboratorio y el de planta piloto. En esta etapa, uno de los factores men()s tangibles en favor de la evaluación del pro 'ceso es que el hacer una estimación de costo requiere el conocimiento del equipo por emplear y, por consiguiente, fuerza automática mente al ingeniero químico a raz()nar en forma objetiva. Este razo namiento inevitablemente sugiere muchos renglones de información que deben ser obtenidos de la operación de la planta piloto.

ESTIMACION DE COSTOS E INGENIERIA DE PROCESO

El tipo de estimación de costo requerida por los estudios hasta aquí mencionados, se denomina estimación de costos de diseño pre liminar puesto que está basada únicamente en la información de que se dispone antes del diseño real del equipo de la planta. La esti mación de diseño preliminar no sólo es valiosa porque dirige los proyectos de investigación por las trayectorias más ventajosas, sino porque también es un auxilio efectivo en los cálculos de diseño. A medida que progresa el diseño de una planta, con frecuencia se hacen evidentes ciertas alternativas para la ()peración de algunas partes

Ingeniería de Proceso

65
de la misma. Ejemplos típicos de factores por considerar en diseños alternativos, son las diversas disposiciones de cambiadores de calor, presión o temperatura de reactores y presiones de operación de ah sorbedores. La estimación de costos no termina cuando se toma la decisión de construir una planta. A varios contratistas se les envía solicitud de presupuesto, y ellos deben hacer los cálculos preliminares de di seño y obtener cotizaciones de aquellos renglones del equipo de los que tengan pocos o ningunos datos recientes de costo. A partir de esta información los contratistas preparan estimaciones preliminares de costo sobre las cuales basan sus ofertas. Si el contratista hace una ootización en firme, su análisis de costos debe ser excesivamente meticuloso y para asegurar la obtención del contrato debe evitar las contingencias al máximo posible. Los llamados contratos a por centaje, que en general son populares durante los programas acele rados de construcción típicos de los tiempos de guerra, protegen al contratista de las incalculables contingencias que siempre se presen tan en proyectos precipitados que entrañan riesgos considerables.

Conforme el

trabajo de diseño y construcción avanza en un proyec to, el cliente generalmente solicita, cada mes u otro plazo periódico que le convenga, nuevas estimaciones del costo final. Cada estima ción -sucesiva es más exacta, ya que a medida que el trabajo se aproxima a su ténnino se dispone de más información. Estos datos siempre llegan a ser de gran valor para el contratista en estudios de costos de sus propias operaciones. Con frecuencia el "excedente" de las estimaciones preliminares puede ser atribuido a adiciones o a mejoras del diseño original. Los dibujos de diseño suelen circularse a través de los diversos depar tamentos de la empresa del cliente y durante este proceso a menudo surgen ideas sobre adiciones a la planta. Por consiguiente, el inge niero de proyecto del cliente puede controlar mejor el costo solicitan do frecuentes reestimaciones del costo final de la planta. La evaluación económica de los procesos debe continuar aun des pués de que una planta entra en operación. Los planes para au mentar la producción o para obtener costos más bajos de producción deben ser evaluados siempre sobre una base económica. La evalua ción del proceso y su instrumento primordial, la estimación de cos tos, penetran en cada fase del desarrollo, diseño, construcción y operación de una planta. Tanto las compañías de operación como las firmas de construc ción poseen competentes departamentos de estimación de costos.

Estos grupos son divisiones de

la organización central de ingeniería y, por lo común, están constituidos por hombres de considerable experiencia en trabajos de estimación de costos. Es muy frecuente

66 Ingeniería de Proyecto para Plantas de Proceso

que cada persQna se especialice en una fase de la estimación, como tuberías o recipientes.

La obligación principal de estos departamen

tos es desarrollar estimaciones de costos, lo más precisas posible, ba sadas en informaciones de diseño razonablemente firmes y en los costos disponibles más recientes de equipo. Tales estimaciones son tardadas y costosas, pero son necesarias para que los contratistas puedan establecer cotizaciones o las compañías de operación sus es timaciones de asignación, las cuales son presentadas a la gerencia antes de la asignación definitiva de fondos para un proyecto. Sin embargo, los ingenieros químicos que actúan como ingenie ros de proceso o como ingenieros de proyecto, para ayudar en las declsiones de diseño y en la dirección de investigación y desarrollo, a menudo requieren estimaciones más rápidas y menos costosas. El ingeniero de proceso o de proyecto siempre puede requerir, del departamento de estimación de costos de su empresa, una estima ción detallada. No obstante, se debe hacer notar que tales esti maciones son costosas y para muchos propósitos no son necesarias.

Nichols

G ha presentado excelentes comentarios sobre métodos de esti mación de capital, abarcando desde el método meramente aproxi mado hasta una estimación detallada. La Fig. 4-1, presentada por Nichols, muestra un cuadro con nueve diferentes tipos de estimación con grados variables de precisión basados en la información dispo nible. A partir de esta figura se puede determinar el costo aproxi mado requerido para preparar una estimación de cada tipo. Se pro porciona la precisión de esta estimación y la recomendación de una contingencia para cada tipo de estimación. Dicho cuadro, que está basado en ciertas observaciones reales de una gran empresa, cons tituye una ilustración del tipo de cuadros que resultan de utilidad en la selección del tipo de estimación más apropiada para un propó sito dado (*). Nichols ilustra su aplicación suponiendo un pro yecto de cinco millones de dólares y comparando una estimación tipo A, la más exacta, con una estimación menos exacta, tipo J. El costo de la estimación tipo A sería aproximadamente $ 25 000, en tanto que para el tipo J sería de $ 9 000. La mejor estimación tij'Ü J daría un margen de un 30% entre el mínimo y el máximo del costo real, mientras que el margen en la estimación tipo A sería de apro ximadamente 20%. ¿Justificará el aumento de precisión en el mar gen, de 30% a 20%, el costo adicional de $ 16000 requeridos por la estimación tipo A? En muchos casos, particularmente en es tudios de diseño, dicho costo agregado de cierto no sería justificable. Con demasiada frecuencia se malgastan tiempo y dinero tratando de hacer estimaciones de costos de proyectos con mayor preci sión de la que es posible lograr con los datos técnicos disponibles. * Cada grupo que desee utilizar un cuadro como ése. debe construir su cuadro par ticular basado en su propia experiencia.

Información utilizada por la persona que

hace la estimación

Costo estimado sin

11111111

Costo máximo

A lel.I.I.I.I.I.I.I·I·I· ¡·j·j·j·t·j·j·l·j·jljjj UJLIIIA [ 101.101.1.1.1.1.1,,1.1.1.1.181.1. ) 1.1.1.:.1• • 1.1.1.1.1.1.1. M

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• ·1 I p S X .1. • .j .. II

1. Producto por hacer, especificaciones y provisio·

nes de almacenamiento; capacidad de la planta; tiempo continuo de operación; provisiones para expansiones; materias primas. fuente y almace namiento. 2.

Muestra el número de cada renglón de equipo

requerido, su capacidad y materiales de cons trucción. 3.

Valor del terreno y plusvalía del mismo.

4. Descripción de las facilidades de laboratorio y servicio requeridas. 5.

Renglones no usuales de equipo.

6.

Muestra el equipo en planta y en elevación.

3. 4 4

Hi·'

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